Правила техніки безпеки при виконанні лабораторних робіт з дисципліни
1. Практична частина лабораторних робіт виконується студентами лише в присутності викладача.
2. Перед проведенням конкретних робіт за вказівкою викладача студенти повинні звернути увагу на небезпечні та шкідливі фактори.
3. Після закінчення роботи та металографічному мікроскопі МІМ-7 вимкнути мікроскоп із електромережі, закрити чохлами та вимкнути головний рубильник.
4. При виконанні термічної обробки зразків необхідно:
− забезпечити наявність гумового килимка на підлозі;
− використовувати рукавиці при завантаженні та вивантаженні зразків;
− завантажувати та вивантажувати зразки за допомогою кліщів і лише при відключеній від електричної мережі печі;
− дотримуватися правил пожежної безпеки при охолодженні зразків в олії (зразки в олію занурювати повністю; не здійснювати одночасне гартування великої маси зразків; в лабораторії обов’язково повинні бути справні первинні засоби пожежного гасіння).
5. По завершенні практичної частини лабораторної роботи необхідно відключити обладнання від електричної мережі; перевірити, щоб зразки після термічної обробки були охолоджені до кімнатної температури, а заслінки печей були закритими.
6. У випадку загорання в лабораторії вжити заходи по його усуненню за допомогою первинних засобів пожежогасіння. Коли це не можливо, студенти повинні покинути лабораторію, а викладач зобов’язаний сповістити адміністрацію та прийняти міри до ліквідації пожежі.
Лабораторна робота 1
Тема: ВИЗНАЧЕННЯ ТВЕРДОСТІ
Мета роботи: ознайомитися з методиками визначення твердості матеріалів; набути навичок визначення твердості різних матеріалів; встановити залежність між твердістю і показниками міцності матеріалів.
Теоретична частина
Твердість – це здатність матеріалу чинити опір поверхневій контактній дії з боку інших тіл.
Твердість матеріалів виміряють, впливаючи на поверхню наконечником, виготовленим з матеріалу, що слабо піддається деформації (тверда загартована сталь, твердий сплав або алмаз) і який має форму кульки, конуса, піраміди або голки.
Для визначення твердості існує декілька методів: шкрябання, вдавлювання, удару, згасання коливань та проколу голкою, що розрізняються характером дії наконечника, а саме: твердість можна виміряти вдавлюванням наконечника (метод вдавлювання), шкрябанням поверхні (метод шкрябання), ударом або ж відскоком наконечника-кульки.
- твердість, визначена шкрябанням, характеризує опір руйнуванню (для більшості металів шляхом зрізу);
- твердість, визначена ударом чи гасінням коливань, характеризує пружні властивості;
- твердість, визначена вдавлюванням – опір пластичної деформації.
Найбільше застосування отримало вимірювання твердості вдавлюванням. В результаті вдавлювання з достатньо великим навантаженням поверхневі шари матеріалу, що знаходяться під наконечником і поблизу нього, пластично деформуються. Після зняття навантаження залишається відбиток.
Особливість деформації, що відбувається при цьому полягає в тому, що вона протікає тільки в невеликому об'ємі, оточеному недеформованим матеріалом.
Тому при вимірюванні твердості вдавлюванням пластичну деформацію випробовують не тільки пластичні, але також метали, які при звичайних механічних випробуваннях (на розтягування, стиснення, кручення, вигин) руйнуються практично без пластичної деформації (наприклад, чавун).
Твердість пов’язана з показниками інших властивостей і тому її визначення поширений метод дослідження механічних властивостей матеріалів.
Переваги вимірювання твердості наступні:
1. Між твердістю пластичних металів, які визначаються способом вдавлювання, і іншими механічними властивостями (головним чином межею міцності), існує кількісна залежність. Так, зосереджена пластична деформація металів (при утворенні шийки) аналогічна деформації, створюваній в поверхневих шарах металу при вимірюванні твердості вдавлюванням наконечника.
Подібна кількісна залежність не спостерігається для крихких матеріалів, які при випробуваннях на розтягування (або стиснення, вигин, кручення) руйнуються без помітної пластичної деформації, а при вимірюванні твердості одержують пластичну деформацію. Проте у ряді випадків і для цих металів (наприклад, сірих чавунів) спостерігається якісна залежність між межею міцності і твердістю; зростанню твердості звичайно відповідає збільшення межі міцності на стиснення. По значеннях твердості можна визначати також і деякі пластичні властивості металів. Твердість, визначена вдавлюванням, характеризує також межу витривалості деяких металів, зокрема міді, дюралюмінію і відпалених сталей.
2. Вимірювання твердості по техніці виконання значно простіше, ніж визначення міцності, пластичності і в'язкості. Випробування твердості не вимагають виготовлення спеціальних зразків і виконуються безпосередньо на деталях, що перевіряються, після зачистки на поверхні рівного горизонтального майданчика, а іноді навіть і без такої підготовки.
3. Вимірювання твердості звичайно не спричиняє за собою руйнування деталі, що перевіряється, і після вимірювання її можна використовувати по своєму призначенню, тоді як для визначення міцності, пластичності і в'язкості необхідне виготовлення спеціальних зразків з деталі.
На практиці визначення твердості методом вдавлювання здійснюється чотирма способами: спосіб Польді, по Брінеллю, по Віккерсу, по Роквелу.
Твердість по Польді
Твердість по Польді призначена для орієнтовного визначення твердості матеріалу. Значення твердості визначають динамічним вдавлюванням загартованої сталевої кульки діаметром 10мм. Під дією удару кулька одночасно вдавлюється в досліджувану поверхню і поверхню еталонного зразка, твердість якого відома (рис. 1)
В якості еталонного зразка застосовують сталевий стрижень квадратного перерізу 12х12мм довжиною 150мм. Твердість еталону повинна приблизно дорівнювати твердості досліджуваного зразка.
Рисунок 1 – Схема приладу для визначення твердості по Польді.
Після
проведення випробування на поверхні
зразка і еталона утворюються відбитки
у вигляді сферичних лунок діаметром
відповідно d
і dе.
Величина числа твердості НВП визначиться
по формулі:
де
НВП
– число твердості Польді;
НВе – число твердості еталона;
D – діаметр кульки, мм;
dе – діаметр відбитка – лунки еталона, мм;
d – діаметр відбитка – лунки зразка, мм.
Твердість по Брінеллю
При цьому стандартному (ГОСТ 9012-59) способі вимірювання твердості в поверхню зразка вдавлюють загартовану сталеву кульку діаметром 10, 5 або 2,5 мм при дії навантаження від 5000 Н до 30000 Н. Після зняття навантаження на поверхні утворюється відбиток у вигляді сферичної лунки діаметром d (рис. 2 ).
Рисунок 2 – Схема визначення твердості по Брінеллю.
Діаметр лунки виміряють лупою, на окулярі якій нанесена шкала з розподілами. Показником твердості матеріалу є число твердості по Брінеллю НВ, яке визначають відношенням навантаження Р до площі поверхні сферичного відбитка:
де D – діаметр вдавленої кульки, мм
d – діаметр відбитку – сферичної лунки, мм.
Число твердості по Брінеллю по ГОСТ 9012 – 59 записують без одиниць вимірювання.
На практиці при вимірюванні твердості розрахунок по вказаній вище формулі проводять рідко, частіше використовують наперед складені таблиці, визначаючи значення НВ залежно від діаметра відбитки і вибраного навантаження. Чим менше діаметр відбитка, тим вище твердість.
Спосіб вимірювання по Брінеллю не є універсальним. Його використовують для матеріалів малої і середньої твердості: сталей з твердістю до 450 НВ, кольорових металів з твердістю < 200 НВ і т.п.
Для цих сплавів встановлений кореляційний зв'язок між границею тимчасового опору (в МПа) і числом твердості НВ:
σт.о = 3,4 НВ – для вуглецевих сталей
σт.о = 4,5 НВ – для мідних сплавів
σт.о = 3,5 НВ – для алюмінієвих сплавів.
Твердість по Віккерсу
При стандартному методі вимірювання твердості по Віккерсу (ГОСТ 2999 - 75) в поверхню зразка вдавлюють чотиригранну алмазну піраміду з кутом при вершині 136°.
Відбиток виходить у вигляді квадрата (рис. 3), діагональ якого виміряють після зняття навантаження, число твердості обчислюють по формулі:
де Р – прикладене навантаження, Н;
d – середньо арифметичне довжини обох діагоналей відбитка, мм;
α – кут при вершині наконечника – алмазної піраміди.
Рисунок 3 – Схема визначення твердості по Віккерсу.
На практиці число твердості визначають по спеціальних таблицях по значенню діагоналі відбитка при вибраному навантаженні.
Метод Віккерса застосовують головним чином для матеріалів, що мають високу твердість, а також для випробування на твердість деталей малих перетинів або тонких поверхневих шарів. Як правило, використовують невеликі навантаження: 10, 30, 50, 100, 200, 500Н. Чим тонше перетин деталі або досліджуваний шар, тим менше вибирають навантаження.
Числа твердості по Віккерсу і по Брінеллю для матеріалів, що мають твердість до 450 НВ, практично співпадають.
Твердість по Роквеллу.
Цей метод вимірювання твердості (ГОСТ 9013-59) найбільш універсальний і якнайменше трудомісткий. Тут не потрібно виміряти розміри відбитка, оскільки число твердості відлічують безпосередньо по шкалі твердоміра.
Число твердості залежить від глибини вдавлювання наконечника, в якості якого використовують алмазний конус з кутом при вершині 120° або сталеву кульку діаметром 1,588 мм (рис. 4).
Рисунок 4 – Схема визначення твердості по Роквеллу.
Навантаження вибирають залежно від виду і матеріалу наконечника. Прикладається навантаження послідовно двічі: попереднє – Р0 = 10 кгс і загальне Р, що дорівнює сумі попереднього і основного навантаження – Р1.
Твердість по Роквеллу виміряють в умовних одиницях. За одиницю твердості приймають значення осьового переміщення наконечника е, яке визначають по формулі:
де h – глибина проникнення наконечника в поверхню зразка під дією відповідного навантаження, мм.
Твердість по Роквеллу позначають цифрами, що визначають рівень твердості, і буквами HR з вказівкою шкали твердості і розраховують по формулам:
HR = 100 – e (при вимірюванні по шкалі А і С);
HR = 130 – e (при вимірюванні по шкалі В).
Для різних комбінацій навантажень і наконечників прилад Роквелла має три вимірювальні шкали: А, В, С.
Шкала А (наконечник – алмазний конус, загальне навантаження 600 Н). Цю шкалу застосовують для особливо твердих матеріалів, для тонких листових матеріалів або тонких (0,5 - 1,0 мм) шарів. Зміряну твердість позначають HRA. Межі вимірювання твердості по цій шкалі 70 - 85.
Шкала В (наконечник – сталева кулька, загальне навантаження 1000 Н).
По цій шкалі визначають твердість порівняно м'яких матеріалів (< 400 НВ). Виміряну твердість позначають HRВ. Межі вимірювання твердості по шкалі В 25 – 100. Числа твердості по Роквеллу не мають точних співвідношень з числами твердості по Брінеллю і Віккерсу.
Шкала С (наконечник – алмазний конус, загальна навантаження 1500 Н). Цю шкалу використовують для твердих матеріалів (> 450 НВ), наприклад загартованих сталей. Виміряну твердість позначають HRC. Межі вимірювання твердості по цій шкалі 20 - 67.
Між числами твердості сплавів, визначеної різними методами існують встановлені співвідношення. Ці співвідношення зведені в порівняльну таблицю 5